USB介面 (Universal Serial Bus) 正如其英文首字Universal，已被大量應用於個人電腦、平板、智慧型手機、伺服器、物聯網、車用電子及隨身電子產品等各項領域。其傳輸速度由USB 3.2 Gen 2x2的20Gbps演進至最新的USB4 40Gbps，同時能支援最高達到240W的USB PD 3.1電力傳輸，單一採用可雙面插拔的USB Type-C介面。而在USB-C PD規範當中，同時可經由進入Alternate Mode (Alt-mode，替代模式)，重新定義USB-C連接器的腳位，將來自整合晶片組或獨立繪圖晶片的影音訊號，由USB-C介面輸出，由此達到資料、電力與多媒體影音同時在USB Type-C單一介面進行傳輸，大大增進了使用者體驗。
 
影音傳輸的兩大規格DisplayPort (DP) 和HDMI，皆根據USB PD規範各自推出USB-C DP Alt-mode與USB-C HDMI Alt-mode；然而，市面上幾乎看不到USB-C HDMI Alt-mode的產品。除此之外，最新的USB4規範，透過Tunneling Mode，以及Intel的Thunderbolt技術，都僅支援DP影音格式輸出。因此，真正對USB-C介面實用的影音傳輸規格，可以說只有DisplayPort。但是，市面上最普遍常見的影音介面卻是HDMI，因此USB-C介面輸出的DP影音訊號，無論在設計USB-C Dongle或Docking Station類別的周邊產品應用，或任天堂Switch遊戲機的底座裡，都會再使用一顆DP-to-HDMI影音轉換器用以轉出HDMI格式。而在新一代的USB-C Dock (尤其是支援USB4的產品)，已經導入DP轉換成HDMI 2.1的規格。本篇文章主要將探討，新世代USB-C Dock應用，影音轉換的架構與挑戰。
 
USB-C Dock影音轉換的架構與趨勢
 
在USB-C Dock裡，基本的架構如圖一所示，需要一顆USB-C PD控制器、一顆USB Hub控制器與一顆DP轉HDMI影音轉換控制器。最基本的USB-C PD控制器，只需要一個上行口連接筆電或手機的主控端 (Host)，進行USB Type-C介面的連接偵測與USB-C PD協議的溝通，其中也包含處理進入USB4 Tunneling Mode或DP Alt-mode轉出影音訊號。而在更進階的Dock產品應用，USB-C PD控制器還會整合一至兩個下行口，可連接USB-C充電器；在使用Dock的功能同時，也同步對筆電或手機進行快速充電，此時，USB-C PD控制器需要進行電力傳輸的握手協議。另外，USB-C下行口也可以用來連接USB-C的裝置，例如：隨身碟、外接硬碟或讀卡機…等，此時的USB-C PD控制器僅需要進行USB-C裝置的連接偵測。
 
USB Hub控制器，主要用來擴充自USB-C上行口來的USB功能，以連接多個USB周邊裝置，實現USB-C Dock集線擴充的功能。USB Hub的選擇，依據產品的最高速度要求與欲擴充的USB周邊裝置數目而定。以一個USB4的USB-C Dongle為例，其Hub要支援最高速的USB4規範，也需要向下相容於USB 3.2 / USB 2.0規範；當擴充的USB周邊裝置數目較多時，可能需要用到兩顆USB Hub進行串接。
 
 
外接HDMI顯示器或電視時，上行口透過USB4 DP Tunneling或DP Alt-mode轉出的DP影音訊號，需要一顆DP轉HDMI的影音轉換控制器來達成。這種DP影音轉換控制器可分為SST (Single Stream Transport) 與MST (Multi-Stream Transport) 兩大類。支援DP SST這種單重串流傳輸的影音轉換控制器，自DP來源裝置的封包，只能夠驅動一個獨立顯示器，主流採用轉出HDMI格式；當支援DP MST多重串流傳輸時，從DP來源裝置的封包，可以分割成多個視訊輸出，以驅動多個獨立顯示器，這些輸出可以是DP格式，或HDMI、VGA格式，我們也稱這種支援DP MST的影音轉換控制器為DP Hub。
 
隨著USB-C Dock相關產品多樣化、規格多元化，DP影音轉換控制器廠商也開始推出高度整合的產品，例如，將USB PD功能整合至DP影音轉換控制器，甚至一併整合USB Hub。其優點在於，晶片高度整合可兼顧成本效益，且產品可做到尺寸精巧，然缺點就是缺少彈性與擴充性，無法針對產品規格的變化，挑選最適合的晶片組合，容易發生高規低用的狀況。因此，整合型的影音轉換控制器該如何拿捏其整合度，是一門大學問。
 
USB-IF協會於2019年八月公布USB4規範之後，2020年第四季，首見原生支援USB4的Intel 11代Core處理器Tiger Lake和Rocket Lake平台上市；Apple緊追在後，於2020年十一月發表支援USB4的M1處理器平台；AMD則於2022年1月的CES發表了支援USB4的Zen3 + 架構Ryzen 6000。至此，市場上所有主流處理器，皆已全面支援USB4，正式進入傳輸規格新時代。當使用USB4透過DP Tunneling傳送DP影音資料時，USB Type-C的雙通道皆可同時用以傳遞DP訊號；相較於USB 3.2規範時，透過DP Alt-mode，單通道要傳輸USB訊號，只剩下單通道能傳遞DP訊號，USB4的DP訊號傳輸頻寬，幾乎是兩倍於DP Alt-mode模式。也因此，在USB4的Dongle及Dock產品，特別適合用來支援新世代的8K影音傳輸，我們能看到Dock的DP影音轉換控制器也順勢進入了HDMI 2.1的新世代。
 
HDMI 2.1規範的新功能與挑戰
 
HDMI 2.1規範雖然在2017年即已問世，但遲遲未能取代上一代的HDMI 2.0，直到2020年底推出的Xbox Series X與PlayStation 5家用遊戲機開始支援HDMI 2.1，且支援HDMI 2.1的8K電視也陸續推出，至此才算是正式打開了HDMI 2.1市場的能見度。
 
HDMI 2.1相較於HDMI 2.0的好處，首先就是HDMI 2.1的傳輸頻寬變大了，最高可達48 Gbps，並採用效率比較高的編碼方式傳輸，相較於HDMI 2.0的18 Gbps，有效頻寬足足是其2.96倍，可支援更高的影像解析度。HDMI 2.1可支援高達8K@60 Hz或8K@120 Hz、甚至10K@120 Hz的影像傳輸，而HDMI 2.0只能達到4K@60 Hz，使用HDMI 2.1，可以提升使用者在遊戲或觀看的沉浸體驗。
 
HDMI 2.1規範新增全新的FRL (Fixed Rate Link) 實體層架構，每條通道最高速率來到12Gbps外，也使用全新的16b/18b編碼方式，相較於前一代TMDS架構的8b/10b編碼方式，進一步提升通道的有效頻寬。在HDMI 2.1 FRL模式下，由於傳輸速率的提升，面臨高速訊號在通道上更大的衰減；為了改善訊號衰減的問題，HDMI 2.1導入了更多樣化的Equalizer來對應。在DP影音轉換控制器裡，會使用到HDMI 2.1的Transmitter端，設計時會加入Feed Forward Equalizer (FFE)，由最多四組不同大小的De-emphasis和Pre-shoot組成。在Link Training時會決定FFE補償，確保影音資料完整傳送至HDMI Sink端。
 
另外，VESA協會的DSC視訊串流壓縮技術 (Display Stream Compression)，已被DisplayPort規範採用許久，HDMI 2.1規範也首次導入DSC進一步提升通道頻寬；透過壓縮技術，可以提高最高三倍的頻寬，藉此實現10K影像的傳送。而因應8K/10K的影像傳輸，DP影音轉換控制器裡DSC Decoder的Slice設計，也因而需增加至八個才能滿足需求。
 
在加強既有功能方面，HDMI 2.1支援動態效果更強的動態式高動態範圍(Dynamic HDR)，多了動態元數據 (Dynamic Metadata)，確保影像的每一刻、每一幕場景，甚至細至每一影格，都能呈現最理想的景深、細節、明亮度、反差和色域。而從HDMI 1.4就已支援的音訊回傳通道 (Audio Return Channel, ARC) 功能，到了 HDMI 2.1進化成增強版的eARC，傳輸頻寬高達36.8 Mbps，比起ARC高出了30倍有餘，可以將未經壓縮的5.1、7.1聲道，甚至32聲道的音訊，回傳到如擴大機、聲霸之類的喇叭設備，不僅降低接線複雜度，還能維持高品質的音質。高位元速率格式的DTS-HD、Dolby TrueHD，以及家庭劇院格式的Dolby Atoms、DTS：X等等規格，透過eARC都能支援。
 
而在全新功能方面，HDMI 2.1規範新增了VRR、ALLM、QFT、QMS這些新規格。VRR (Variable Refresh Rate，可變更新速率) 是一種電競遊戲功能，能為玩家帶來更流暢且細節更豐富的遊戲體驗。VRR會根據電腦的影像處理速度，自動調節更新率，讓更新率與影像來源同步，以確保從一幀畫面到另一幀畫面平滑過渡，並消除幀之間的視覺撕裂或抖動。ALLM (Auto Low Latency Mode，自動低延遲模式)，此模式可自動調整延遲設定，減少畫面延遲，為遊戲玩家、VR或電影觀賞者提供更好的體驗。QFT (Quick Frame Transport，快速影格傳輸)，此功能也是為了減少延遲，增加流暢度。雖然QFT不能消除輸入端的延遲，但能降低來源端和顯示器之間的傳輸延遲。最後是QMS (Quick Media Switching，快速媒體切換)，此功能可讓播放 / 來源裝置即時切換其內容的解析度或影格速率，而不會有任何的顯示中斷或黑幕。例如遊戲機的輸出，會根據內容而不斷變化，但無論來源或內容為何，QMS皆能帶來超流暢感，消除在顯示影像之前可能導致的停頓或空白畫面延遲。
 
隨著新世代8K影音傳輸的需求開始萌芽，以及電腦平台正式進入USB4，USB-C Dock當中的DP影音轉換控制器也來到HDMI 2.1解決方案新紀元。影音訊號的來源如前文所述是DP的訊號源，而HDMI 2.1規範裡新增之功能，不是所有功能都能從DP介面順利轉換至HDMI介面，如何調適到最佳相容性，是為一大挑戰。另一個挑戰，是把影音轉換控制器的功耗儘量做到最低。因為在HDMI 2.1的使用場景，除了自己本身最高可達到48 Gbps外，搭配USB4雙通道也達到40Gbps，USB-C Dock電路板的整體工作功耗會大幅增加，因此設計時需避免因系統過熱而導致降頻的情況。低功耗設計與晶圓製程的挑選，已是新世代影音轉換控制器產品競爭力重要的一環。